SiC 变换电路的高效快速光伏 MPPT 技术

摘要：在高效光伏发电电能变换领域，采用新一代 SiC 半导体器相对于传统 Si 基器件具有众多优点，对基于 SiC 变换电路的高效光伏最大功率点跟踪(MPPT)技术进行了研究。根据光伏发电的温度和光照影响特性，将温度变化作为电导增量法的步长参考变量，提出了一种改进型的高效 MPPT 跟踪控制方法，有效提升常规电导增量控制的性能，提高MPPT 的跟踪速度和控制精度。利用 Matlab 仿真实验平台进行了仿真分析，并研制了基于 SiC 的 Boost 变换电路测试平台进行验证。仿真和实验结果均表明，所提出的方法 MPPT 跟踪效率高，相对于常规的 Si 基变换器和 MPPT 技术，可以有效提高跟踪控制效率，适合在光伏发电系统等工程领域推广应用。

太阳能光伏发电作为可再生能源利用的主要形式之

一，近年来获得了快速发展和规模化推广应用。太阳能发电主要是通过光伏电池组件实现光电转换，然后由电能变换电路对组件输出的直流电能进行变换管理后进行利用。现有的变换电路主要是基于半导体 Si 基器件设计的变换电路，由于 Si 基器件性能的极限，变换电路的性能也难以大幅提高，基于 SiC等新器件的高效变换电路将成为未来的主要发展方向。太阳能光伏发电最大功率点跟踪(MPPT)作为提高太阳能利用率的技术广泛采用。

目前，常用的 MPPT 控制算法包括恒压法、扰动观测、电导增量以及智能控制算法等，其中电导增量法以动态变化光伏电池输出电压来跟踪最大功率点(MPP)，控制精度高、稳定性好，而常规的定步长电导增量法在步长选择上无法兼顾控制精度和跟踪速度。为了进一步提高跟踪速度，可以采用变步长等策略。温度作为影响太阳能光伏电池输出功率的重要特性，将其作为变步长的参考变量可以在温度等外部条件改变情况下，快速实现 MPPT。本文提出了一种新的优化改进型电导增量 MPPT，结合新一代 SiC 变换电路实现高效快速的光伏 MPPT 控制技术，对系统的组成、实现方法和电路实现等进行了分析设计，并通过实验验证了所提出方法的优越性。

1、太阳能光伏电池特性

太阳能光伏电池是光伏系统中实现光电转换的设备，其基本原理是根据光生伏打效应，将入射到电池板上的光能直接转化成电能输出，根据太阳能等效电路可以得出太阳电池的简化数学模型

2、改进型电导增量 MPPT 法

2.1 电导增量法原理

电导增量法是光伏 MPPT 控制中较为常用的方法之一。其算法原理[4-7]是根据 P-U 曲线，在 MPP 点时其曲线变化斜率为零，即此刻输出功率和电压的关系为：

采用电导增量法可以实现对 MPP 的准确跟踪，但跟踪的调整步长直接影响跟踪速度，如何选择合适的步长成为该跟踪控制算法的关键。

2.2 改进型电导增量 MPPT 法

根据上述电导增量 MPPT 法控制原理，结合光伏电池的输出特性，提出一种基于跟踪温度变化的改进型电导增量MPPT 法。引入电池工作温度作为优化步长调整的参考，在温度改变值较大时，光伏电池板的输出电压变化也较大，相应的采用较大的步长，而在温度改变不大或者无变化时采用常规的步长策略。提出的改进型控制策略为：

提出的改进算法流程图如图 1 所示，首先采集计算电压、电流和温度参数信息，得出电压、电流和温度差值后，对温度差值进行比较确定温度改变步长调整因数的取值后，根据式(9)实现变步长的 MPPT 快速跟踪控制。

3 仿真和实验验证

3.1 仿真实验分析基于 Matlab/Simulink 软件平台搭建光伏发电系统电路，进行仿真。MPPT 跟踪电路为工程中常用的 Boost 变换电路。仿真太阳能光伏组件参数如表 1 所示。

仿真阵列由 10 串表 1 的组件组成，总最大峰值功率2 800 W，模拟仿真在不同温度改变条件下所提出控制算法的跟踪效果，并与常规的电导增量法进行比较。图 3(a)为模拟环境变化曲线图，光照强度从 0.5 s 时的 0 W/m2 增强到 2.0 s 时的 1 000 W/m2，温度从 0～1.5 s 的 20.5 ℃缓慢上升到 2.0 s 的21 ℃，再变化到 3.0 s 的 38℃、上升到 4.0 s 的 40℃，然后开始上升到 5.0 s 的 60℃。不同跟踪控制算法的 MPPT 仿真波形如图 3(b)～(c)所示，在 0.5～2.0 s，温度变化不大，两者均采用常规控制算法。

图 3(b)～图 3(c)此时间段的仿真波形基本一致；在 2.0～3.0 s，温度快速上升，常规的电导增量法控制 MPPT 跟踪波形在 2.0s 时有较大的跟踪功率震荡，瞬间损失 100.1 W，经过 0.15 s 后才稳定跟踪，在 4.0～5.0 s 的温度变化过程中，在 4.0 s 时也出现了 92.3 W 的功率瞬间损失，经过 0.18 s 后才稳定跟踪；改进的控制算法在温度变化时跟踪波形基本无震荡和损失。所提出的跟踪算法较常规算法具有跟踪速度快、准确度高、震荡小等优点。

3.2 实验测试验证

为进一步验证所提出算法的工程有效性，在基于 SiCMOSFET 的 Boost 变换器实验平台上进行验证测试实验，实验平台 Boost 电路主要参数如表 2 所示。

采用 CHROMA 模拟光伏电池可编程直流电流作为输入，输出接电子负载电路。调节设置编程电源模拟真实光伏发电，实验光伏参数和温度变化设定与仿真参数保持一致，其中输入电压通过电阻分压电路，电流经霍尔电流传感器采样电路后由控制器数字信号处理器(DSP)的模数转换单元(ADC)进行采集处理。控制器读取设定的变化温度值来进行验证测试实验。不同控制算法的实验记录测试波形如图 4 所示，在实验测试平台的运行环境下，所提出的控制算法具有优良的跟踪控制效果。

经 CHROMA ATE-00548.02.20 专用监控软件测试，MPPT跟踪最高效率可以高达 99.9%，比常规控制算法高 0.6%以上，整体性能优于常规算法，进一步验证了所提出改进型电导增量 MPPT 的有效性。此外，采用基于 SiC 器件的变换器实验平台，Boost 电路主开关频率 40 kHz，相较于常规的 Si 基器件的常用 20 kHz 控制信号在控制管开关频率和温升等方面都具有优势，可以提高变换电路的整体性能，也有利于新控制算法的研究和实现。

在分析光伏电池特性和电导增量 MPPT 控制算法的基础上，根据光伏发电的温度和光照影响特性，将温度变化作为电导增量法的步长参考变量，提出了一种改进型的高效 MPPT跟踪控制方法，对算法的实现进行了分析和设计。结合新一代电力电子器件的应用，对基于 SiC 的变换电路进行了算法的仿真实验和实验平台测试验证，实验结果表明所提出算法可以有效提升常规电导增量控制的性能，提高 MPPT 的跟踪速度和控制精度，为太阳能 MPPT 性能提升和 SiC 等新器件在光伏等领域的应用提供了一种新思路和参考。

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